[发明专利]用于生产蓝宝石单晶的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产蓝宝石单晶的方法和设备。

背景技术

蓝宝石已用于许多事物中。目前，重要的是使用蓝宝石基材生产LED。在该领域中，LED基材主要通过在蓝宝石基材上通过外延生长缓冲层和氮化镓膜来生产。

因此，需要一种用于生产蓝宝石单晶的方法，该方法能够有效和稳定地生产蓝宝石。

用于生产LED的大部分蓝宝石基材是c面(0001)的基材。按照惯例，在工业领域中，蓝宝石单晶通过导膜生长(EFG)法、泡生(KP)法、提拉(CZ)法等生产。在生产直径为3英寸以上的单晶的情况下，在其中将产生各种晶体缺陷，所以已可选择地使用沿a轴生长的单晶。为了通过加工a轴蓝宝石晶体而形成c轴蓝宝石梨晶，必须将a轴蓝宝石晶体从一侧挖空(hollow)。因此，上述常规技术具有以下缺点：加工晶体困难；需要遗留大量废弃部分；和需要降低材料产率。

公知垂直布里奇曼法(垂直梯度凝固法)作为用于生产氧化物单晶的方法。在垂直布里奇曼法中，使用薄壁坩埚以从该薄壁坩埚中容易地取出生产的晶体。然而，蓝宝石单晶由高温熔体形成，所以需要在高温下具有高强度和高耐化学性的薄壁坩埚材料。日本特开专利公布P2007-119297A公开了一种在高温下具有高强度和高耐化学性的材料。在该日本专利公布中，坩埚由铱构成，该由铱构成的坩埚在高温下具有高强度和高耐化学性。

然而，在该日本专利公布中公开的常规技术具有以下缺点：坩埚由铱构成，可是铱是非常昂贵的；铱的线性膨胀系数大，所以结晶过程中坩埚收缩，应力施加于晶体，在蓝宝石晶体上形成裂纹。

发明内容

因此，在本发明一方面中的目的是提供一种用于生产蓝宝石单晶的方法和设备，该方法和设备能够生产蓝宝石单晶而不形成裂纹和不使用昂贵的坩埚。

为了实现此目的，本发明的方法包含下述步骤：

将籽晶和原料放置于坩埚中；

将所述坩埚设置于位于生长炉中的圆筒形加热器中；

加热所述坩埚以熔融所有所述原料和一部分所述籽晶；和

在所述圆筒形加热器中产生温度梯度，其中上部的温度高于下部的温度，以进行用于使所述熔体顺序结晶的定向凝固法，

该方法的特征在于，所述坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由所述坩埚的线性膨胀系数和所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于其生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在所述坩埚和所述蓝宝石单晶中产生，或者能够防止由所述相互应力导致的所述坩埚的变形，不产生在所述蓝宝石单晶中的由相互应力导致的晶体缺陷。

接下来，本发明的设备进行下述步骤：将籽晶和原料放置于坩埚中；将所述坩埚设置于位于生长炉中的圆筒形加热器中；加热所述坩埚以熔融所有所述原料和一部分所述籽晶；和在所述圆筒形加热器中产生温度梯度，其中上部的温度高于下部的温度，以进行用于使熔体顺序结晶的定向凝固法，和

该设备的特征在于，所述坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由所述坩埚的线性膨胀系数和所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于其生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在所述坩埚和所述蓝宝石单晶中产生，或者能够防止由所述相互应力导致的所述坩埚的变形，不产生在所述蓝宝石单晶中的由相互应力导致的晶体缺陷。

在该方法和设备中，坩埚可由下述材料构成，该材料在蓝宝石的熔融温度和室温之间的线性膨胀系数小于要生产的蓝宝石单晶在蓝宝石的熔融温度和室温之间的沿垂直于生长轴的方向的线性膨胀系数。

在该方法和设备中，坩埚可由下述材料构成，该材料在蓝宝石的熔融温度和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数总是小于要生产的蓝宝石单晶从蓝宝石的熔融温度至室温的沿垂直于生长轴的方向的线性膨胀系数。

例如，坩埚可由钨、钼或钨和钼的合金构成。

此外，该方法可进一步包含下述步骤：

在使熔体结晶后，在同一生长炉中，通过降低圆筒形加热器的加热功率冷却圆筒形加热器的内部空间，直到达到规定温度；和

将坩埚放置在作为圆筒形加热器中间部分的保温区中预定的时间，以将坩埚中的蓝宝石单晶退火。

在该方法和设备中，即使蓝宝石单晶的生长轴为c轴，也可生长蓝宝石单晶而不形成晶体缺陷如裂纹。